Bộ khử khí có áp suất

Nhu cầu loại bỏ khí khỏi nước cấp lò hơi và nguyên lý vận hành của bộ khử khí có áp suất, cùng các phép tính.

Tại sao cần loại bỏ khí khỏi nước cấp lò hơi

Oxy là nguyên nhân chính gây ăn mòn trong bể nước nóng, đường ống cấp nước, bơm cấp nước và lò hơi. Nếu carbon dioxide cũng có mặt thì pH sẽ thấp, nước sẽ có xu hướng có tính axit, và tốc độ ăn mòn sẽ tăng lên. Thường thì ăn mòn thuộc loại ăn mòn rỗ, nơi mặc dù mất mát kim loại có thể không lớn, nhưng thâm nhập sâu và thủng có thể xảy ra trong thời gian ngắn.

Loại bỏ oxy hòa tan có thể đạt được bằng phương pháp hóa học hoặc vật lý, nhưng thường hơn bằng sự kết hợp của cả hai.

Các yêu cầu cần thiết để giảm ăn mòn là duy trì nước cấp ở pH không thấp hơn 8,5 đến 9, mức thấp nhất mà carbon dioxide không có mặt, và loại bỏ tất cả dấu vết oxy. Sự hồi lưu ngưng tụ từ nhà máy sẽ có tác động đáng kể đến xử lý nước cấp lò hơi - ngưng tụ nóng và đã được xử lý hóa học, do đó khi nhiều ngưng tụ được hồi lưu, ít xử lý nước cấp hơn cần thiết.

Nước tiếp xúc với không khí có thể trở nên bão hòa oxy, và nồng độ sẽ thay đổi theo nhiệt độ: nhiệt độ càng cao, hàm lượng oxy càng thấp.

Bước đầu tiên trong xử lý nước cấp là đun nóng nước để đẩy oxy ra. Thường thì bể cấp nước lò hơi nên được vận hành ở 85°C đến 90°C. Điều này để lại hàm lượng oxy khoảng 2 mg/lít (ppm). Vận hành ở nhiệt độ cao hơn mức này ở áp suất khí quyển có thể khó khăn do nhiệt độ bão hòa gần kề và khả năng xâm thực trong bơm cấp nước, trừ khi bể cấp nước được lắp ở vị trí rất cao phía trên bơm cấp nước lò hơi.

Thêm hóa chất khử oxy (natri sulfit, hydrazine hoặc tanin) sẽ loại bỏ oxy còn lại và ngăn ngừa ăn mòn.

Đây là xử lý thông thường cho nhà máy lò hơi công nghiệp tại Vương quốc Anh. Tuy nhiên, các nhà máy tồn tại mà do kích thước, ứng dụng đặc biệt hoặc tiêu chuẩn địa phương, sẽ cần giảm hoặc tăng lượng hóa chất sử dụng. Đối với các nhà máy cần giảm lượng xử lý hóa học, thực hành phổ biến là sử dụng bộ khử khí có áp suất.

Nguyên lý vận hành của bộ khử khí có áp suất

Nếu chất lỏng ở nhiệt độ bão hòa, độ hòa tan của khí trong đó bằng không, mặc dù chất lỏng phải được khuấy mạnh hoặc đun sôi để đảm bảo khử khí hoàn toàn.

Điều này đạt được trong phần đầu của bộ khử khí bằng cách chia nước thành nhiều giọt nhỏ nhất có thể, và bao quanh các giọt này bằng bầu không khí hơi nước. Điều này tạo ra tỷ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng cao và cho phép truyền nhiệt nhanh từ hơi nước sang nước, nhanh chóng đạt nhiệt độ bão hòa hơi. Điều này giải phóng các khí hòa tan, sau đó được mang theo hơi nước thừa để thoát ra ngoài khí quyển. (Hỗn hợp khí và hơi này có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa và van thoát sẽ hoạt động theo kiểu thermostatic). Nước đã khử khí sau đó rơi xuống phần lưu trữ của bình.

Một lớp hơi nước được duy trì phía trên nước đã lưu trữ để đảm bảo rằng khí không được hấp thụ lại.

Phân phối nước

Nước vào phải được chia thành các giọt nhỏ để tối đa hóa tỷ lệ diện tích bề mặt nước trên khối lượng. Điều này cần thiết để nâng nhiệt độ nước, và giải phóng khí trong thời gian cư trú rất ngắn trong vòm (hoặc đầu) bộ khử khí.

Chia nước thành các giọt nhỏ có thể đạt được bằng một trong các phương pháp được sử dụng bên trong môi trường hơi của vòm. Tất nhiên có ưu và nhược điểm liên quan đến từng loại phân phối nước, cùng với chi phí. Bảng 3.21.1 so sánh và tóm tắt một số yếu tố quan trọng nhất:

Hệ thống điều khiển

Điều khiển nước Van điều khiển điều biến được sử dụng để duy trì mức nước trong phần lưu trữ của bình. Điều khiển điều biến là cần thiết để tạo điều kiện vận hành ổn định, vì sự đột ngột nước tương đối mát tràn vào với hệ thống điều khiển nước bật/tắt có thể có tác động sâu sắc đến điều khiển áp suất, cũng như khả năng đáp ứng nhanh của bộ khử khí đối với thay đổi nhu cầu. Vì điều khiển điều biến là cần thiết, đầu dò mức kiểu điện dung có thể cung cấp tín hiệu tương tự cần thiết cho mực nước. Điều khiển hơi Van điều khiển điều biến điều chỉnh nguồn cấp hơi. Van này được điều biến thông qua bộ điều khiển áp suất để duy trì áp suất trong bình. Điều khiển áp suất chính xác rất quan trọng vì nó là cơ sở cho điều khiển nhiệt độ trong bộ khử khí, do đó van điều khiển hoạt động nhanh, vận hành bằng khí nén sẽ được sử dụng. Lưu ý: Van điều khiển áp suất pilot có thể được sử dụng cho các ứng dụng nhỏ hơn, và van điều khiển tự hành vận hành bằng màng có thể được sử dụng khi tải được đảm bảo tương đối ổn định. Phun hơi có thể xảy ra ở đáy đầu, và chảy ngược chiều với nước (đối lưu), hoặc từ hai bên, cắt ngang dòng nước (lưu cắt). Dù hơi đến từ hướng nào, mục tiêu là cung cấp sự khuấy trộn tối đa và tiếp xúc giữa dòng hơi và nước để nâng nước đến nhiệt độ cần thiết. Hơi được phun qua bộ khuếch tán để cung cấp sự phân phối hơi tốt trong vòm bộ khử khí. Hơi vào cũng cung cấp:

• Phương tiện vận chuyển khí đến van thoát khí.
• Một lớp hơi cần thiết phía trên nước đã khử khí lưu trữ. Công suất thoát khí của bộ khử khí Trong các Mô-đun trước, nhiệt độ nước cấp điển hình được trích dẫn khoảng 85°C, đây là giá trị tối đa thực tế cho bể cấp nước lò hơi thông khí hoạt động ở áp suất khí quyển. Cũng biết rằng nước ở 85°C chứa khoảng 2,3 gam oxy trên 1 000 kg nước, và chính oxy gây ra thiệt hại chính trong hệ thống hơi nước vì hai lý do chính. Thứ nhất, nó bám vào bên trong ống và thiết bị, tạo thành oxit, gỉ và cặn; thứ hai, nó kết hợp với carbon dioxide tạo ra axit carbonic, có ái lực tự nhiên để ăn mòn kim loại nói chung và hòa tan sắt. Do đó, việc loại bỏ oxy khỏi nước cấp lò hơi trước khi nó vào lò hơi là hữu ích. Thiết bị áp suất thấp và trung bình được cung cấp hơi bão hòa từ lò hơi vỏ sẽ hoạt động hoàn hảo với bể cấp nước được thiết kế cẩn thận kết hợp bộ khử khí khí quyển (gọi là bán khử khí). Các dấu vết oxy còn lại được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, và điều này thường kinh tế cho loại nhà máy hơi này. Tuy nhiên, đối với lò hơi ống nước áp suất cao và nhà máy hơi xử lý hơi quá nhiệt, điều quan trọng là mức oxy trong nước lò hơi phải được giữ thấp hơn nhiều (thường ít hơn bảy phần tỷ - 7 ppb), vì tốc độ tấn công do khí hòa tan tăng nhanh ở nhiệt độ cao hơn. Để đạt được mức oxy thấp như vậy, bộ khử khí có áp suất có thể được sử dụng.

Nếu nước cấp được đun nóng đến nhiệt độ bão hòa 100°C trong bể cấp nước khí quyển, lượng oxy giữ trong nước sẽ bằng không về mặt lý thuyết; mặc dù trong thực tế, có khả năng một lượng nhỏ oxy vẫn còn. Cũng là trường hợp tổn thất hơi từ bể cấp nước thông khí sẽ khá cao và không thể chấp nhận về mặt kinh tế, và đây là lý do chính tại sao bộ khử khí có áp suất được ưa chuộng cho thiết bị áp suất cao thường hoạt động trên 20 bar g.

Bộ khử khí có áp suất thường được thiết kế để vận hành ở 0,2 bar g, tương đương nhiệt độ bão hòa 105°C, và mặc dù một lượng hơi nhất định vẫn sẽ bị mất ra ngoài khí quyển qua van thoát tiết lưu, tổn thất sẽ ít hơn nhiều so với bể cấp nước thông khí.

Không chỉ oxy cần được thoát; các khí không ngưng tụ khác cũng sẽ bị loại bỏ cùng lúc. Bộ khử khí do đó sẽ thoát các thành phần khác của không khí, chủ yếu là nitơ, cùng với một lượng hơi nhất định. Do đó, tốc độ loại bỏ không khí từ nước phải cao hơn 2,3 gam oxy trên 1 000 kg nước. Thực tế, lượng không khí trong nước ở 80°C trong điều kiện khí quyển là 5,9 gam trên 1 000 kg nước. Do đó, cần loại bỏ 5,9 gam không khí trên 1 000 kg nước để đảm bảo rằng lượng oxy 2,3 gam cần thiết đang được giải phóng. Khi không khí này trộn với hơi nước trong không gian phía trên bề mặt nước, cách duy nhất nó có thể bị loại bỏ từ bộ khử khí là bằng sự giải phóng đồng thời hơi nước.

Lượng hỗn hợp hơi/không khí cần được giải phóng có thể được ước tính bằng cách xem xét các hiệu ứng của Định luật Dalton về áp suất riêng phần và Định luật Henry.

Xem xét tính khả thi của việc lắp đặt bộ khử khí. Trước khi lắp đặt, nhà máy lò hơi được cấp nước từ bể cấp nước thông khí hoạt động ở 80°C. Điều này cơ bản có nghĩa là mỗi 1 000 kg nước cấp chứa 5,9 gam không khí. Bộ khử khí đề xuất sẽ hoạt động ở áp suất 0,2 bar g, tương ứng với nhiệt độ bão hòa 105°C.

Giả sử rằng tất cả không khí sẽ bị đẩy ra khỏi nước trong bộ khử khí. Theo đó van thoát phải loại bỏ 5,9 gam không khí cho mỗi 1 000 kg công suất nước cấp.

Xem xét rằng không khí được giải phóng từ nước trộn với hơi nước phía trên bề mặt nước. Mặc dù áp suất vận hành bộ khử khí là 0,2 bar g (1,2 bar a), nhiệt độ của hỗn hợp hơi/không khí có thể chỉ là 100°C. Do đó, từ Định luật Dalton:-

Nếu không gian hơi trong bộ khử khí chứa hơi nước tinh khiết, áp suất hơi sẽ là 1,2 bar a. Vì không gian hơi có nhiệt độ thực tế là 100°C, áp suất riêng phần do hơi nước tạo ra chỉ là 1,013 25 bar a.

Áp suất riêng phần do các khí không ngưng tụ (không khí) tạo ra do đó là hiệu giữa hai con số = 1,2 – 1,013 25 = 0,186 75 bar a. Tuy nhiên:

• Vì không có cách dễ dàng để đo chính xác nhiệt độ xả;
• Vì chỉ có hiệu áp suất nhỏ giữa bộ khử khí và áp suất khí quyển;
• Vì tốc độ thoát rất nhỏ, …cơ chế thoát tự động hiếm khi được tìm thấy trên ống thoát bộ khử khí, nhiệm vụ thường được thực hiện bằng van bi điều chỉnh thủ công, van kim, hoặc tấm lỗ. Cũng quan trọng để nhớ rằng mục tiêu chính của bộ khử khí là loại bỏ khí. Do đó, điều quan trọng là một khi đã tách riêng, các khí này phải được xả càng nhanh càng tốt, và trước khi có cơ hội bị tái cuốn. Mặc dù lý thuyết gợi ý rằng 22,4 gam hỗn hợp hơi/không khí cho mỗi tấn công suất bộ khử khí là cần thiết, trong thực tế điều này không thể giám sát hoặc điều chỉnh thành công. Do đó, dựa trên kinh nghiệm thực tế, các nhà sản xuất bộ khử khí sẽ có xu hướng khuyên tốc độ thoát từ 0,5 đến 2 kg hỗn hợp hơi/không khí cho mỗi 1 000 kg/giờ công suất bộ khử khí để an toàn. Nên lấy lời khuyên của nhà sản xuất bộ khử khí về vấn đề này. Một cách điển hình để điều khiển tốc độ thoát là sử dụng van bi DN20 cho nhiệm vụ hơi có áp suất danh định phù hợp, có thể được cố định ở trạng thái mở một phần.

Các thông số vận hành điển hình cho bộ khử khí có áp suất Thông tin sau là điển hình và bất kỳ lắp đặt thực tế nào cũng có thể khác với những gì sau đây theo nhiều cách để phù hợp với yêu cầu cá nhân của nhà máy đó:

• Áp suất vận hành thường khoảng 0,2 bar (3 psi), cho nhiệt độ bão hòa 105°C (221°F).
• Bình sẽ chứa từ 10 đến 20 phút trữ nước cho lò hơi ở tải đầy đủ.
• Áp suất nguồn cấp nước cho bộ khử khí phải ít nhất 2 bar để đảm bảo phân phối tốt tại đầu phun.
• Điều này ngụ ý hoặc áp suất ngược trên các bẫy hơi trong nhà máy hoặc nhu cầu hồi lưu ngưng tụ bơm.
• Áp suất nguồn cấp hơi cho van điều khiển áp suất sẽ trong khoảng 5 đến 10 bar.
• Tỷ lệ giảm tải tối đa trên bộ khử khí sẽ khoảng 5:1.
• Ở lưu lượng thấp hơn mức này từ quy trình, có thể không đủ áp suất để tạo sự phun hóa tốt với bộ phân phối nước kiểu đầu phun hoặc phun.
• Điều này có thể khắc phục bằng cách có nhiều hơn một vòm trên thiết bị. Tổng công suất các vòm sẽ bằng định mức lò hơi, nhưng một hoặc nhiều vòm có thể được đóng khi nhu cầu thấp.
• Có thể cần gia nhiệt trong vùng lưu trữ của bình cho điều kiện khởi động; có thể bằng cuộn dây hoặc phun trực tiếp.
• Tuy nhiên, loại nhà máy có nhiều khả năng được trang bị bộ khử khí có áp suất nhất sẽ hoạt động liên tục và người vận hành có thể coi hiệu suất thấp trong khởi động lạnh thỉnh thoảng là chấp nhận được. Thiết kế bình, vật liệu, chế tạo, xây dựng và chứng nhận sẽ tuân thủ tiêu chuẩn được công nhận, ví dụ: tại Vương quốc Anh tiêu chuẩn là PD 5500. Cân bằng nhiệt trên bộ khử khí thường (nhưng không phải luôn luôn) được tính dựa trên tăng 20°C nhiệt độ nước vào. Thường thì nước ở 85°C được cấp cho bộ khử khí. Nếu nhiệt độ nước vào cao hơn đáng kể, thì lượng hơi cần để đạt áp suất đặt sẽ ít hơn. Điều này lần lượt có nghĩa là van hơi sẽ tiết lưu xuống và lưu lượng hơi có thể quá thấp để đảm bảo phân tán đúng tại đầu phun hơi. Điều này có thể gợi ý rằng, với tỷ lệ hồi lưu ngưng tụ rất cao, một số hành động thay thế có thể cần thiết để quá trình khử khí đúng xảy ra. Trong trường hợp này, cân bằng nhiệt bộ khử khí có thể được tính bằng các thông số khác nhau, hoặc bộ khử khí có thể hoạt động ở áp suất cao hơn.

Chi phí và tính hợp lý

Chi phí Không có chi phí năng lượng bổ sung liên quan đến việc vận hành bộ khử khí, và lượng hơi tối đa được xuất cho nhà máy là như nhau với hoặc không có bộ khử khí, vì hơi được sử dụng để tăng nhiệt độ nước cấp đến từ công suất lò hơi cao hơn. Tuy nhiên:

• Sẽ có một số tổn thất nhiệt từ bộ khử khí (Điều này sẽ được giảm thiểu bằng cách cách nhiệt đúng cách).
• Có thêm chi phí vận hành bơm chuyển giữa bể cấp nước và bộ khử khí.
• Một phần hơi bị mất cùng với khí không ngưng tụ thoát ra. Tính hợp lý Các lý do chính để chọn bộ khử khí có áp suất là:
• Giảm mức oxy xuống mức tối thiểu (< 20 phần tỷ) mà không sử dụng hóa chất. Điều này sẽ loại bỏ ăn mòn trong hệ thống cấp nước lò hơi.
• Tiết kiệm chi phí có thể đạt được về hóa chất - lập luận này ngày càng hợp lệ trên các lò hơi ống nước lớn nơi lưu lượng cao, và mức TDS thấp (< 1 000 ppm) cần được duy trì trong nước cấp lò hơi.
• Hóa chất được thêm để kiểm soát hàm lượng oxy trong nước lò hơi sẽ tự chúng cần được xả đáy. Do đó bằng cách giảm/loại bỏ việc thêm hóa chất, tốc độ xả đáy sẽ giảm với tiết kiệm chi phí liên quan.
• Để ngăn ngừa ô nhiễm khi hơi nước tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm, ví dụ: thực phẩm hoặc cho mục đích khử trùng.

Cân bằng nhiệt bộ khử khí

Để cho phép thiết kế hệ thống đúng và định cỡ van cấp hơi, điều quan trọng là biết bao nhiêu hơi cần để gia nhiệt bộ khử khí. Hơi này được sử dụng để gia nhiệt nước cấp từ nhiệt độ thông thường gặp phải trước khi lắp đặt bộ khử khí đến nhiệt độ cần thiết để giảm oxy hòa tan đến mức yêu cầu. Lưu lượng hơi cần thiết được tính bằng cân bằng khối lượng/nhiệt. Cân bằng khối lượng/nhiệt hoạt động theo nguyên lý rằng lượng nhiệt ban đầu trong nước cấp, cộng với nhiệt được thêm bởi khối lượng hơi phun phải bằng lượng nhiệt cuối cùng trong nước cấp cộng với khối lượng hơi đã ngưng tụ trong quá trình. Phương trình 2.11.3 là phương trình cân bằng khối lượng/nhiệt được sử dụng cho mục đích này.